扩散连接中界面迁移机制研究

聚合物中分子迁移的研究进展随着科技的不断发展，聚合物材料的应用范围越来越广泛，从塑料食品包装到超级材料。

而聚合物中的分子迁移问题也愈发凸显。

因此，聚合物中分子迁移的研究一直备受关注。

本文将介绍聚合物中分子迁移的研究进展，包括分子迁移的机理、影响因素以及可能的解决方法。

一、分子迁移的机理聚合物中分子迁移的机理是由分子间的运动和扩散引起的。

聚合物中分子间距离减小，由于温度、压力差等因素作用，分子就会发生扩散。

扩散的核心是自由体积分子的交换运动。

聚合物中的分子迁移大体可以分为三个步骤：吸附、扩散和解吸。

首先，分子在聚合物表面吸附。

随着时间的推移和温度和湿度的变化，分子开始进入聚合物内部。

其次，分子通过交换在聚合物中运动，并反复进入内部和表面之间，最终达到整个聚合物中的平衡状态。

最后，分子离开聚合物表面，回到气相或液相中。

二、影响因素多种因素都会影响聚合物中分子迁移的速度、路径和机制，包括温度、湿度、气体压力、化学成分、分子大小和分子形状等。

在确定聚合物材料的使用性能之前必须充分考虑这些影响因素。

1. 温度在聚合物中，分子迁移速度与温度呈指数关系。

随着温度升高，聚合物的分子能量增加，分子在聚合物内部的运动和扩散也会增加。

而低温下，则会延缓分子的运动和扩散，因而减慢分子迁移速度。

2. 湿度聚合物中存在的水分界面有助于促进分子迁移。

实验表明，湿度越高，聚合物中分子迁移速度越快。

这是因为水分子通过对聚合物的吸附、扩散和解吸作用，促进了分子在聚合物内部的运动与扩散。

3. 化学成分聚合物中不同化学成分的分子具有不同的化学效应和力学性质，因而会影响分子迁移速度和路径。

聚合物中混合物的化学成分、粘度和分子量分布等都会影响分子的迁移。

4. 分子大小和形状在聚合物中，分子体积较大，形状特殊的分子，如支链分子容易附着在聚合物表面上，减速分子运动及聚合物中分子的迁移速度。

而分子体积较小、形状规则的分子则更易钻过聚合物分子之间的空隙，以较快的速度在聚合物中扩散。

物理化学界面现象教案中的界面界面扩散与界面反应物理化学界面现象教案中的界面扩散与界面反应界面现象在物理化学中占据着重要的地位，它不仅涉及到物质的传输和反应，还与许多实际应用息息相关。

在本篇文章中，我们将重点讨论物理化学界面现象教案中的界面扩散与界面反应。

一、界面扩散在界面扩散中，我们可以观察到物质在界面上的传输过程。

这种传输过程可以通过物质的扩散来实现。

界面扩散的速率与物质的浓度梯度、温度、界面特性等因素密切相关。

扩散现象在自然界中广泛存在，例如气体和液体之间的扩散以及固体表面的扩散等。

界面扩散的机理可以通过菲克定律来解释。

根据菲克定律，扩散速率正比于浓度梯度，并且与扩散系数、面积相关。

界面扩散常常与另一个重要现象相关——质量传递。

质量传递通常指的是物质在不同相之间的传递，它与界面扩散有着密切的联系。

二、界面反应界面反应指的是两相之间的化学反应。

在这种反应中，反应物和产物被分隔在不同的相中，并且通过界面进行反应。

界面反应的速率通常受到内部传质以及反应速率的限制。

在界面反应中，界面扩散也起到了重要的作用。

如果界面扩散速率很慢，将会限制整个反应的速率。

界面反应可以通过接触理论来解释。

接触理论认为，只有当反应物在界面上发生接触并形成活化复合物时，才能发生反应。

界面反应常见的例子包括气体吸附、电化学反应和催化反应等。

三、实际应用界面扩散与界面反应在许多行业中都有着广泛的应用。

例如，在化工工艺中，界面反应可以用于催化剂的设计和废水处理等；在电子工业中，界面扩散可以用于半导体材料的制备和集成电路的制造。

此外，在环境科学领域，界面现象的研究对于理解大气和海洋中的物质传输以及污染物的迁移有着重要的意义。

界面现象的深入研究也可以为分子生物学和药物研发等领域提供有益的指导。

总结：在物理化学界面现象教案中，界面扩散与界面反应是两个重要的内容。

界面扩散与扩散系数、浓度梯度、温度等密切相关，可以通过菲克定律来解释。

界面反应与接触理论有关，反应速率受到界面扩散的限制。

TiAl基合金与TC4的扩散连接及其性能研究的开题报告题目：TiAl基合金与TC4的扩散连接及其性能研究摘要： TiAl基合金因其具有轻质、高强度、高温强度、良好的抗氧化性等优点而备受关注。

然而，其低的韧性、易开裂等缺点限制了其在实际应用中的广泛使用。

本论文旨在利用扩散连接技术将TiAl基合金与TC4连接，探究其连接界面的显微结构以及连接界面的力学性能和热膨胀性能。

关键词：TiAl基合金，TC4，扩散连接，力学性能，微结构一、研究背景TiAl基合金具有较少的质量和较高的比强度，是一种性能优异的金属材料。

然而，由于其存在的问题，如低的韧性、易开裂等，限制了其在航空航天和汽车等领域的广泛应用。

因此，提高TiAl基合金的韧性和连接可靠性是当前研究的热点问题。

扩散连接技术可以实现无缝连接，是一种适用于金属连接的高效和可靠的方法。

TiAl基合金和TC4都具有良好的耐腐蚀性能和抗高温氧化性能，因此采用扩散连接技术将两者连接在一起，既可以提高TiAl基合金的韧性，又可以提高连接的可靠性。

二、研究内容1. 制备TiAl基合金和TC4的扩散连接试样，并进行力学性能、热膨胀性能的测试。

2. 利用扫描电镜和透射电镜等显微技术，研究连接界面的显微结构。

3. 对不同扩散温度和时间下连接界面的显微结构和力学性能、热膨胀性能进行比较和分析。

4. 结合原子模拟方法，模拟不同扩散条件下TiAl基合金与TC4的结合机理。

三、研究意义1. 通过扩散连接技术将TiAl基合金和TC4连接在一起，为在航空航天、汽车等领域应用TiAl基合金提供了一种可靠的连接方法。

2. 通过对扩散连接界面的显微结构和连接性能的研究，可以深入了解扩散连接的机理和优缺点，为扩散连接技术的改进提供参考。

3. 本研究可为TiAl基合金和TC4的应用提供一定的理论依据和技术支撑，并且在材料连接领域具有一定的研究价值。

四、研究方法1. 制备TiAl基合金和TC4的试样，并进行扩散连接。

重庆理工大学本科生毕业设计（论文）文献综述论文题目：钛合金与不锈钢的瞬间液相扩散连接学院：材料科学与工程学院专业：焊接技术与工程姓名：学号：指导教师：完成日期：2015年1月20日瞬间液相扩散连接( TLP-DB) 方法以其独有的性能优势, 在先进材料连接领域得到广泛的重视和应用。

综述了瞬间液相扩散焊中接触熔化、液相均匀化、等温凝固以及固相成分均匀化阶段的理论模型及发展状况,并对现有模型进行了分析和讨论。

随着材料科学的发展，新材料不断涌现。

在生产应用中，经常遇到异种金属的连接问题。

焊接异种金属的方法有很多，主要有超声波焊接、熔焊、固相压力焊、熔焊、钎焊及瞬间液相扩散连接等。

钛合金与不锈钢的复合构件，能充分体现两种材料在性能与经济上的优势互补，在核动力装置、航空航天、武器装备、电子产业、医疗器械和机械制造等民用和军用行业，具有非常广阔的应用前景。

钛合金与不锈钢焊接时，由于两者的物理化学性能相差较大，且容易形成硬而脆的金属间化合物，使得接头性能难以提高。

瞬间液相扩散连接作为先进的焊接技术，特别适用于常规熔焊、接触焊、钎焊等难以解决的塑性差、熔点高和互不相溶的异种材料的连接。

在瞬间液相扩散连接的过程中加入超声波振动，对焊接件施加纵向超声波，能够提高焊接的质量，缩短焊接的时间，提高焊接的效率。

各种新型材料, 如金属间化合物具有耐高温、抗腐蚀、耐磨损等优点使其成为极具潜力的高温结构材料, 其中钛合金是潜在的航空航天材料,但是, 金属间化合物的共同缺点: 室温塑性低和高温强度差制约了它们在生产实践中的应用; 现代复合材料, 具有比强度高、比刚度大、抗疲劳性好、尺寸稳定、耐磨、抗震等优良性能, 其在航空、航天、军工等高技术领域具有极其广阔的应用前景, 但由于复合材料中基体与增强相之间物理、化学性能相差很大, 导致其焊接性很差, 很难获得理想的焊接接头; 陶瓷材料的塑性差, 冷加工困难, 难以制成大型或形状复杂的构件等, 因而这些材料都会不同程度受到实用化问题的挑战。

《压焊方法及设备》结课论文扩散连接的原理及应用000黑龙江工程学院2013年6月1日压力焊结课论文扩散连接的原理及应用姓名：000学号：********学科：材料科学与工程1院系：材料与化学工程任课老师：000日期：2013年6月1日摘要随着科技的发展，新材料在我们的生活中应用而生，就此我们遇到了一些同种经或异种材料的连接问题。

一些新材料如陶瓷、金属间化合物非晶态材料及单晶合金等的可焊性差，用传统焊接方法，很难实现可靠的连接。

在技术发展的同时，我们需要将一些用于特殊的高性能构件的制造的同种或异种材料连接到一起。

如异种金属材料、陶瓷、金属间化合物、非晶态及单晶合金、玻璃等性能差别较大的异种材料，连接这些材料时，用我们以往的传统焊接方法是难以实现的，现在不但要连接金属，而且要连接非金属，或金属与非金属等等。

因此，连接所涉及的范围远远超出传统焊接的概念。

为了适应这种要求，近年来作为固相连接的方法之一的扩散连接技术引起人们的重视，成为连接领域新的研究热点，正在快速发展。

本文主要将介绍扩散连接技术的原理及应用。

关键词：扩散连接、固相扩散、液相扩散、超塑性、中间层。

目录摘要 (1)目录 (2)第1章绪论 (3)1.1课题研究的背景及其意义 (3)第2章扩散连接 (4)2.1扩散连接及分类 (4)2.2扩散连接的原理 (4)2.2.1固态扩散连接 (4)2.2.2液态扩散连接 (5)2.2.3超塑成形扩散连接 (6)2.2.4扩散连接的工艺特点 (6)第3章扩散连接的实际应用 (7)结论 (7)参考文献 (8)第1章绪论1.1课题研究的背景及其意义扩散连接是近几年兴起的术语，可理解为扩散焊的拓展。

在人类社会发展的同时，新材料不断地出现并在我们的生活中得到了广泛的应用，那么就需要对各种新型材料进行加工，如连接。

但是，往往一些新型材料连接是相当困难的，用以往传统的连接技术（熔化焊）不能达到可靠地连接，在此基础上一种新的连接技术诞生了——扩散连接。

第39卷第2期焊 接 学报 V〇1.39(2):024 - 028 2 0 1 8 年 2 月TRANSACTIONS OF THE CHINAWELDINGINSTITUTION February2018Ti2AINb合金瞬时液相扩散连接接头界面组织及性能分析蔡小强，王颖，杨振文，王东坡(天津大学天津市现代连接技术重点实验室，天津300072)摘要：采用Ti/Ni作为中间层实现了 A A lN b合金的连接（transient liquid phase，TLP)，研究了 TLP连接接头的 界面组织及其形成机制，并且分析了不同保温时间对接头界面组织和力学性能的影响规律.结果表明，T〇AlNb合 金TLP连接接头主要表现为等温凝固区和冷却凝固区两个明显的特征区域.接头的典型界面组织为T/AlNb/B2/ Nb!Al+B2 V)V A N/AAlNb.随着保温时间的延长，接头中Nb!A l和^Ni相消失，）相不断减少，B2相不断增 多.当连接温度为1 180 O,保温时间为20 min时，接头的室温抗剪强度最大，达到428 MPa，高温（650 O)抗剪强 度达到407 M Pa.接头的断裂主要发生在冷却凝固区的）相上.关键词：钛铝铌合金；瞬时液相扩散连接；界面组织；高温性能；抗剪强度中图分类号：T6 454 文献标识码：A doi：10.12073/j.hjxb.20183900340序 言以有序正交结构O相作为主要构成相的Ti2Al-Nb合金，自1988年Banerjee等人%1]首次发现以来，引起了广泛的关注和研究.Ti2AlNb合金具有较高 比强度、室温塑性、断裂韧性和蠕变抗力，且具有较 好的抗氧化性、无磁性等优点，可在600 ~ 800 O长 时间使用、1 〇〇〇O以上短时间使用.这些优异的性 能使TiiAlNb合金成为航空航天领域具有广阔应用 前景的新型轻质耐高温材料%2].由于航空航天部件 结构复杂，实现TiiAlN b自身的可靠连接将成为此 类材料推广应用的关键问题.目前用于钛合金的连接方法主要有熔焊%3]、钎 焊[4]、摩擦焊%5]、扩散连接%6-7&等.其中熔焊在焊后 快速冷却过程中易出现固态裂纹.钎焊接头的高温 性能较差，所以钎焊接头的使用温度受限.摩擦焊 Xt试样自身具有较高的要求.对于扩散连接来说，由于长时间处于较高压力作用下使得母材的力学性 能降低.而且当结构件大且复杂时，扩散连接工艺 将受到很大限制.TLP连接技术综合了钎焊和固相 扩散连接两者的优点，既能在较低温度下实现冶金 连接，又能获得高性能，特别是高温力学性能的接 头[8].邹贵生等人[9]采用Ti-15Cu-15N i合金薄带作收稿日期：2016 -05-10基金项目：国家自然科学基金资助项目（51574177)中间层，研究了 Ti2AlNb合金的TLP连接，获得了较 好的室温和高温强度的接头.相比于Ti-15Cu-15N i 体系，Ti-Ni体系作为中间层也具有较好的高温性 能[10].文中采用Ti/Ni作为中间层对TizAlNb合金 进行TLP连接，研究接头界面组织的形成以及保温 时间对接头组织及性能的影响规律.1试验方法试验使用的母材为TiiAlNb合金，其名义成分 为 Ti-21Al-23Nb-0. 4M〇(原子分数，d).图 1a，1b 分别显示Ti2AlNb合金的室温微观组织形貌和XRD 分析结果.可以看到，Ti2AINb合金室温组织由（相、B2相和O相组成，其中（相和O相弥散分布于 B2相基体上.母材在室温和650 O的抗拉强度分别 为1 185和1 030 MPa.用电火花线切割机床将T i2 AINb合金母材加工成块状，其中尺寸为5 m m X 5 m m X5 mm的母材置于上方，尺寸为15 m m X10 mmx3 mm的母材置于下方.中间层材料采用纯钛 和镍箔，厚度均为60 !m，置于母材之间.连接前将 待连接试件表面依次用200号到2000号砂纸水磨，放在丙酮中超声清洗、烘干.TLP连接在真空炉中 进行，连接温度为1 180 O，保温时间为5 ~ 120 min.连接过程中，在安装试件上施加3 kPa的压力以保 证试样之间的紧密接触.在整个连接过程中真空度 不低于 2.0 X10-3Pa .第#期蔡小强，等:Ti2A：b合金瞬时液相扩散连接接头界面组织及性能分析25(a)母材显微组织形貌衍射角20/(° )(b)母材X射线衍射图图1Ti2AINb母材的显微组织形貌及X射线衍射图Fig. 1Microstructure and XRD pattern of Ti2AIIM b alloy连接后的试件，经200号到2000号砂纸水磨，绒布拋光后，用 〇. &H F- 1. 2HN03 - 5HC1 - 93H#0 (ml)进行腐蚀.采用扫描电镜（SEM，FEI Nan。

元素扩散及界面形成机理研究
元素扩散及界面形成机理研究主要是通过探究化学反应、物理过程和材料结构等方面来分析元素在材料中的扩散规律,以及不同材料之间的界面形成过程。

对于元素扩散,其机理可以分为两类,分别是空位扩散和间隙扩散。

空位扩散是指固体材料中原子在晶格中的空位上进行扩散,需要通过晶格缺陷进行传递。

而间隙扩散则是指原子通过晶格间隙进行扩散,该过程需要经过材料晶体结构的变形。

在实际应用过程中,常见的扩散机理是二者的结合,通过晶格空位和间隙共同作用来推动元素的扩散。

而界面形成机理主要可以分为化学反应和物理过程两类。

化学反应的界面形成机理是在材料的表面或界面处发生化学反应,形成新的化合物,在该过程中,元素的扩散是不可或缺的。

而物理过程则是在材料之间形成界面,如悬浮液的沉积、涂覆、气相沉积等技术。

在这些过程中,一些物理障碍如表面张力、辐射效应和气相组成等都会影响界面的形成过程。

总的来说,元素扩散及界面形成机理研究涉及到化学、物理等多个方面。

通过对元素扩散规律和界面形成机理的深入研究,可以为材料加工及材料科学提供重要的基础理论和现实指导。

焊接过程中的元素迁移与扩散行为研究焊接是一种常见的金属加工方法，通过高温加热，使金属材料熔化并连接在一起。

在焊接过程中，元素迁移和扩散行为是一个重要的研究领域。

本文将探讨焊接过程中的元素迁移和扩散行为，并分析其对焊接质量和性能的影响。

在焊接过程中，高温下的金属熔池中，元素迁移和扩散是不可避免的现象。

元素迁移是指在焊接过程中，由于热量和流动力的作用，金属材料中的元素会从一个区域迁移到另一个区域。

而元素扩散则是指元素在金属材料中的自由运动，从高浓度区域向低浓度区域扩散。

元素迁移和扩散行为对焊接质量和性能有着重要的影响。

首先，元素的迁移和扩散会导致焊接接头中的成分变化，从而改变了焊接接头的化学成分。

这可能导致焊接接头的力学性能、耐腐蚀性能等方面的变化。

其次，元素的迁移和扩散还会影响焊接接头的晶体结构和晶界特性。

这可能导致焊接接头在应力下产生晶界腐蚀、晶界断裂等问题。

为了更好地理解焊接过程中的元素迁移和扩散行为，研究人员进行了大量的实验和理论研究。

实验上，他们通过使用高分辨率的电子显微镜和化学分析技术，观察和分析焊接接头中元素的分布和变化。

理论上，他们建立了各种模型和数学方程，用于描述元素迁移和扩散的机制和规律。

研究结果表明，焊接过程中的元素迁移和扩散行为受多种因素的影响。

首先，焊接温度是影响元素迁移和扩散的关键因素。

较高的焊接温度会加速元素的迁移和扩散速率。

其次，焊接材料的化学成分和晶体结构也会影响元素迁移和扩散的行为。

不同材料之间的化学反应和晶体缺陷会改变元素迁移和扩散的路径和速率。

此外，焊接过程中的焊接速度、焊接压力以及焊接气氛等因素也会影响元素迁移和扩散的行为。

例如，较高的焊接速度和压力可能会导致元素迁移和扩散的不均匀性，从而影响焊接接头的质量。

而不适当的焊接气氛可能会引入杂质元素，进一步影响焊接接头的性能。

综上所述，焊接过程中的元素迁移和扩散行为是一个复杂而重要的研究领域。

深入研究元素迁移和扩散的机制和规律，对于提高焊接接头的质量和性能具有重要意义。

扩散焊的原理及应用1. 引言扩散焊，或称为扩散连接，是一种常用的焊接方法，用于连接金属材料，具有较高的强度和可靠性。

本文将介绍扩散焊的原理和应用。

2. 扩散焊的原理扩散焊的原理是通过在接触表面上形成固态相互扩散，实现金属连接。

具体来说，扩散焊过程中，两个金属表面中的原子将通过热激活的扩散作用，从一个金属晶胞便迁移到另一个金属晶胞中，形成一个焊缝。

这种焊缝是在原子层级上的扩散连接，因此具有较高的强度和可靠性。

3. 扩散焊的应用扩散焊具有广泛的应用领域，下面列举了其中几个常见的应用：3.1. 电子设备制造在电子设备制造过程中，扩散焊被广泛应用于连接电子元器件，如电子芯片、电阻和电容等。

由于扩散焊的连接强度高，并且不需要额外的焊接材料，因此适用于高要求的电子设备的制造。

3.2. 汽车制造在汽车制造中，扩散焊被用于连接车辆的金属部件，如车身和发动机零件。

扩散焊可以提供持久且可靠的连接，以应对汽车运行过程中的振动和温度变化。

3.3. 航空航天工业在航空航天工业中，扩散焊被广泛应用于制造航空航天器的结构和部件。

扩散焊具有优异的力学性能和热力学稳定性，能够满足航空航天器对于强度和可靠性的严格要求。

3.4. 金属加工在金属加工领域，扩散焊被用于连接和修复金属材料。

扩散焊可以在高温下进行，使得金属连接达到更高的强度和可靠性，从而满足不同应用的需求。

3.5. 光学仪器扩散焊也被应用于光学仪器的制造，如望远镜、激光器等。

扩散焊可以提供无缝连接的光学组件，确保光线传输的准确性和稳定性。

4. 总结扩散焊是一种常用的金属连接方法，通过原子级的扩散作用实现金属材料的连接。

扩散焊具有较高的强度和可靠性，广泛应用于电子设备制造、汽车制造、航空航天工业、金属加工和光学仪器等领域。

扩散焊的应用为不同行业提供了高强度和可靠性的金属连接解决方案。

以上是对扩散焊的原理和应用的简要介绍，希望对您有所帮助。

参考文献: - [1] Smith, William F., and Javad Hashemi.。

基于分子动力学模拟的界面分子扩散研究一、引言界面是物质交换、传输能量和信息的重要区域，分子扩散是界面上最常见的现象之一。

常规实验方法对于界面分子扩散的研究受到限制，分子动力学模拟作为一种计算方法成功地研究和模拟了分子扩散现象。

本文将从理论和实践的角度出发，探讨基于分子动力学模拟的界面分子扩散研究。

二、分子动力学模拟分子动力学模拟是一种计算模拟方法，它通过在计算机上计算分子之间的相互作用力，重现分子的运动过程。

计算过程涉及原子核间相互作用的哈密顿量、经典力学和统计力学等基础理论，并借助数值计算方法求解微分方程。

分子动力学模拟被广泛应用于材料科学、生物化学、化学等领域。

三、界面分子扩散的模拟界面是物质在不同相之间的交界处，分子扩散是界面上物质交换过程中最基本的现象。

在分子动力学模拟中，界面上的分子扩散主要与以下参数有关：分子间相互作用力、温度、浓度、扩散时间等。

初态和边界条件的选择同样对分子扩散的模拟结果产生了很大的影响。

四、案例研究以二甲苯（DMX）在水-DMX溶液界面上的扩散为例，考虑到扩散速率受限于分子间的相互作用力，本文采用非极性力场模拟分子间相互作用。

模拟系统为正十二面体晶胞模型，温度为298K，DMX的浓度从0.2mol/L到1.0mol/L变化。

得到的结果表明，在相同的模拟条件下，DMX在水-DMX溶液界面上的扩散速度随着浓度的增加而增加。

扩散机理分析表明，DMX分子在水相中容易受到围绕它的分子束缚，而在界面处，分子束缚效应减小，导致了扩散速度的增加。

五、结论基于分子动力学模拟的界面分子扩散研究为我们提供了一种便捷而可靠的研究分子扩散现象的方法。

合理选择模拟参数和条件可以得到准确的模拟结果，同时还能提供更深入的扩散机理分析。

未来在分子动力学模拟领域，应进一步完善分子模拟模型和计算方法，为更广泛领域提供更好的支撑和应用。

交变电场下SiC／Ti扩散连接过程中原子扩散和界面反应孙东立;张宁波;王清;李其海;韩秀丽【摘要】In order to obtain the influence of electronic on the diffusion behavior of atoms and interfacial reaction, diffusion bonding between SiC and Ti under alternating electric field was carried out. The influence of the intensity of AC( DC) electric field on the interfacial microstructure, atomic diffusion and shear strength were characterized by means of scanning electron microscopy( SEM) , energy disperse spectroscopy ( EDS) , X-ray diffraction( XRD) and shear test. The mechanism of diffusion bonding under electric field was also discussed. The results showed that in the stage of pore closure interfaces contact tightly because of the great image interaction Image interaction increased obviously with the increase of voltage and decrease of interface distance. In diffusion reaction stage, the atom diffusion flux increased by applying voltage, illustrating that the applied voltage promoted the diffusion of the atom at SiC/Ti interface. The promoting effect was more obvious as the voltage increased. Electrodes effects existed in DC electric field while no electrodes effects existed in AC electric field. Under conditions 950 ℃/1. 5 h/7.5 MPa/400 V(AC), bonding Strength reached 63.8±9.4 MPa, and the order of str ucture of interface was SiC/TiC/TiC+Ti5 Si3/Ti. Electric field promoted atomic diffusion to a certain extent and improved the efficiency of diffusion bonding.%为研究交变电场对界面处原子扩散行为及界面反应的影响，将交变电场引入SiC与Ti的扩散连接过程，采用扫描电子显微镜（ SEM）、能谱仪（ EDS）、X射线衍射（ XRD）及剪切性能测试等手段研究了交（直）流电场及电场强度对SiC／Ti扩散连接界面结构、原子扩散、剪切强度的影响，探讨了电场辅助扩散连接的物理机制．研究结果表明：在空洞闭合阶段，电压会使得界面处产生极大的镜像吸附力，使两个表面结合更加紧密，界面吸附力随着外加电压的增大和界面间距的减小而增大；在扩散反应阶段，施加电压会使界面处原子扩散通量增加，即外电压会促进SiC和Ti扩散连接界面处原子的扩散，电压越大，促进作用越明显．直流电压作用下扩散连接界面有正负极效应，而交流电压作用下无此效应．在950℃／1．5 h／7．5 MPa条件下施加400 V交流电压扩散连接接头强度达到63．8±9．4 MPa，界面反应层的相结构为SiC／TiC／TiC＋Ti5Si3／Ti．电场可在一定程度上促进界面原子的扩散，提高连接效率．【期刊名称】《哈尔滨工业大学学报》【年(卷),期】2016(048)011【总页数】8页(P61-68)【关键词】扩散连接;SiC;Ti;界面;电场【作者】孙东立;张宁波;王清;李其海;韩秀丽【作者单位】哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨150090;哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨150090;哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨150090;哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨150090;哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨150090【正文语种】中文【中图分类】TG453+.9工程领域常用到陶瓷与金属等异种材料连接形成的构件，此类构件可以发挥陶瓷、金属材料的优良性能，以满足特殊服役环境的需要. 固相扩散连接和钎焊是目前最常用的方法，前者相较于后者具有连接接头质量稳定、耐腐蚀性能好、可获得耐高温接头等优点，但也存在连接温度高、扩散时间长、设备要求高等不足[1-3]. 研究表明，电场可明显增加金属内部空位浓度[4]，提高空位迁移率[5]，降低铝合金中的相变激活能[6]. Garay等[7]利用正电子湮灭法研究了电场对Ni3Ti合成过程中点缺陷运动的影响，结果表明在电场作用下，空位浓度增加且扩散激活能降低24%. Pomeranze等[1]发现金属与电解质性质的无机材料在电场中具有热扩散接合的现象，称之为电场辅助扩散连接. Park[8]和Xing[9]等对Al/玻璃电场辅助扩散连接进行了研究，发现电场使界面处生成大量的树枝状纳米晶Al2O3，并提高了接头的弯曲断裂强度. 采用电场辅助扩散连接的方法，可加快界面原子扩散、促进界面反应、加速连接过程，从而降低连接温度、缩短连接时间、提高效率，同时对于改善接头组织、提高接头性能等均有所帮助[10-13]. 本文作者前期研究了Al2O3/Ti在电场作用下扩散连接过程中的界面反应和接头的力学性能，结果表明，电场辅助扩散连接接头的剪切强度比普通接头提高50%以上[14].以往电场辅助扩散连接的研究大多局限于离子导体材料，能否将该方法扩展到在较低温度下不形成离子导电的SiC陶瓷，目前还没有报道. 作者在以前的研究中发现直流电场对扩散连接界面反应和元素扩散的影响存在正负极效应，不同极性的反应层厚度和结构不同. 交流电场可加速扩散和点缺陷的迁移[7]，消除正负极效应. 本文在SiC与Ti的连接过程中施加直流和交流电场，研究电场作用下SiC/Ti扩散连接接头的界面组织结构，探讨电场作用下扩散连接过程中原子扩散行为及界面反应机理，开发扩散连接新工艺技术，并运用此工艺方法提高扩散连接的效率和接头质量.采用纯度为96.78 %常压烧结SiC作为被连接陶瓷，80 μm厚的工业纯钛为中间层，以氩气为保护气氛. 将陶瓷切割成5 mm×5 mm×3 mm的小块(5 mm×5 mm的面为被连接面)，依次经过打磨、抛光、清洗处理后与Ti箔组合成待焊件，扩散连接在自主组装的扩散连接炉中进行. 试样叠合、装卡示意图和正负极反应层示意图如图1所示.装卡好待焊件，施加电压U，以10 ℃/min的速率升温至700 ℃保温20 min，再以5 ℃/min加热至连接温度T，保温相应时间t. 降温时先以5 ℃/min的速度降到400 ℃，随后将焊接件随炉冷却. 根据试样装卡方法存在两个界面，以静电场方向定义正、负极界面反应层，如图1所示.为研究电场对对扩散连接界面组织结构及力学性能的影响，在扩散连接温度/时间/压力为950 ℃/1.5 h/7.5 MPa条件下，分别施加0 V电压、400 V直流电压、200、400、800、1 000 V交流电压(频率为50 HZ)；为验证电场对界面原子扩散动力学的影响，将电压/时间固定为7.5 MPa/2 h，连接温度选取950 、1 000 ℃，直流电压分别选取0、200、300、400 V.剪切强度测试在Instron-5569R型电子万能试验机上进行，接头放入特制的剪切卡具中，控制压头下降速度为0.5 mm/s，每个工艺下的剪切强度取3个试件的平均值. 利用D8 ADVANCE型X射线衍射分析仪对试样进行XRD分析. 仪器测试参数为：Cu靶，特征波长约为0.154 059 8 nm，施加电压、电流分别为40 kV、40 mA，衍射角范围20°～90°，聚焦宽度为300 μm. 剥层时X射线衍射分析测试条件为：Cu靶，施加电压、电流分别为40 kV、40 mA，掠入射角α选取为5°. 采用Quanta200FEG扫描电子显微镜(SEM)观察接头处界面组织形貌，并采用附带的能谱分析仪(EDS)分析界面附近元素分布情况.2.1 直流电场和交流电场对扩散连接界面组织结构的影响950 ℃/1.5 h/7.5 MPa条件下，在扩散连接过程中分别施加不同电压获得的接头形貌及元素分布情况如图2所示. 在SiC(暗区域)和Ti(亮区域)之间存在较薄的反应层，连接的界面平直，空洞闭合情况较好.依据图2测定不同电压下接头的反应层厚度及元素扩散距离，见表1. 对比分析可知，电场对扩散连接过程中元素扩散及反应层形成存在影响. 与不施加电压的扩散连接接头相比，施加400 V交流电压使反应层厚度、元素扩散距离均有所增加，且正、负极反应层厚度大致相等；施加400 V直流电压促进负极界面元素扩散和反应层增厚，且效果大于施加同样大小的交流电压，而正极界面反应层厚度和元素扩散表现出抑制作用，正、负界面的反应层厚度和元素扩散距离不等. 交流电压值增至800 V和1000 V，元素扩散距离和反应层厚度进一步增加. 这表明，交流电场强度增大，可促进界面原子扩散和界面反应，直流电场作用下设定连接工艺参数时必须考虑电场方向.采用剥层法对950 ℃/1.5 h/7.5 MPa/400 V(交流)参数下连接接头进行X射线衍射分析，从SiC一侧距离界面一定距离开始剥层，剥层过程中部分XRD结果如图3所示. 测试结果显示反应层第一层结构为TiC(PDF卡片编号71-0298)；随着剥层的进行SiC衍射峰减弱Ti5Si3(PDF卡片编号89-3721)衍射峰出现，直到剥层结束，未检测到Ti5Si3单相层的存在. 据此推断，界面层的相结构依次为SiC/TiC/TiC+Ti5Si3/Ti.2.2 电场作用下扩散连接界面反应层形成过程为了研究接头反应层的形成过程，进行8组试验. 均施加300 V交流电压和7.5 MPa压力，扩散连接工艺曲线及每个试样的取样阶段见图4，具体试验参数见表2.不同试验条件下界面组织形貌如图5所示. 图5(a)可以观察到在升温的初期，接头存在少量未闭合的空洞，扩散连接处于空洞闭合阶段，随着温度的升高，原子通过体扩散、界面扩散、表面扩散使得剩余的空洞逐渐闭合[15-16]. 当温度升至1 000 ℃时空洞近乎完全闭合，并形成较薄的反应层(见图5(b))，之后扩散连接进入扩散反应阶段. 当1 000 ℃保温时间由30 min延长至210 min时，界面反应层厚度不断增加(见图5(c)～(f)).试样1和2接头连接强度较低，在打磨过程中发生断裂，对断面进行XRD分析，没有观察到明显的生成物衍射峰. 试样3和4界面反应区的XRD分析结果分别见图6(a)、(b). 对于试样3，除基体的衍射峰外只检测到少量的TiC衍射峰，说明首先生成的产物为TiC. 对于试样4，连接接头反应产物除了TiC以外，还检测到Ti5Si3. 随着扩散连接阶段持续时间的延长，试样5-8界面反应区获得的物相与试样4相同，均为TiC和Ti5Si3. 结合对接头界面结构的分析，可将接头反应层的形成分为以下几个过程:1)TiC层的形成. 接触区域两侧的原子层形成紧密物理接触后，反应主要集中在SiC/Ti界面. Ti首先与SiC中电负性较大的C反应生成TiC层(Ti、C、Si的电负性分别为1.54、2.55、1.90). 之后Ti原子通过TiC层扩散至SiC/TiC界面与SiC反应使TiC层厚度不断增加.2)TiC+Ti5Si3层的形成. Ti原子通过TiC扩散至SiC/TiC界面的同时，Si和C原子通过TiC层扩散至TiC/Ti界面，与Ti反应形成TiC+Ti5Si3层.3)反应层生长. 当反应层初步形成SiC/TiC/TiC+Ti5Si3/Ti的结构后，Ti原子依次通过TiC+Ti5Si3层、TiC层扩散到SiC/TiC界面处与SiC反应使TiC层生长，同时Si、C原子沿相反的方向扩散，在TiC+Ti5Si3/Ti界面与Ti发生反应使TiC+Ti5Si3层厚度增加. 2.3 电场对扩散连接接头强度的影响950℃/1.5 h/7.5 MPa条件下，接头的剪切强度与施加交流电压大小的关系曲线如图7所示. 随着交变电场场强的增加，接头的剪切强度呈现先增后减的趋势. 交流电压为400 V时，剪切强度达到63.8±9.4 MPa. 结合反应层厚度与交流电压大小的关系可知，一定条件下接头强度随着反应层厚度的增加而增加，当反应层厚度达到一定值时，随着反应层厚度的增加接头的强度急剧下降.950 ℃/1.5 h/7.5 MPa/400 V交流条件下获得接头的断口形貌如图8所示，可以观察到断裂面存在凹凸不同的区域. 由XRD分析结果得到靠近Ti的断面不存在SiC，而靠近SiC的断面未检测到Ti的存在. 利用EDS测定图8中特征点的元素含量及结合XRD结果推测特征点所含的物相见表3. 分析可知，靠近Ti的凸起区域A与靠近SiC的凹下区域B断裂于TiC+Ti5Si3层，靠近Ti的凹下区域C与靠近SiC的凸起区域D同样断裂于TiC+Ti5Si3层，所以断裂的位置主要位于TiC+Ti5Si3反应层附近.试样1-8的剪切强度如图9所示. 结合接头反应层的形成过程可知，TiC层增厚接头的强度增加，而TiC+Ti5Si3层厚度增加对于接头强度不利. 试样1-3的TiC层厚度依次增加，接头连接强度提高；试样4-6的TiC层和TiC+Ti5Si3层厚度同时增加，接头的剪切强度也随之增加；当TiC+Ti5Si3层厚度到达一定值以后，TiC+Ti5Si3层厚度的增加使得接头的剪切强度快速降低(试样6-8)，试样6的剪切强度最高.2.4 电场作用下的界面吸附金属与陶瓷相互靠拢时，紧密接触的两个界面由于导电粒子向界面处靠近而产生相互吸引的镜像作用[17-18]. 在金属/陶瓷两端施加电压，若金属端接正极，由于陶瓷和金属两种材料介电常数差异很大，陶瓷内部的导电缺陷在电场作用下发生电离，负电荷逐步迁移到界面处，而界面处金属侧带正电荷，从而产生镜像作用使得附着力增加.设两种材料的介电常数分别为ε1和ε2，则由镜像作用产生的附加界面能为式中：Q为陶瓷界面带电量，C；a为电荷距界面距离，m. 式(1)中能量对距离求偏导数，即为作用力,即负号表面镜像力为两者之间的相互吸引力. 可见，镜像力与带电量平方成正比，与距离平方成反比.当两带电体带不同种电荷时，将产生相互吸引作用. 将两端视为无限大平行电容板，电容板上所带电量为Q，则两带电体之间库仑力大小为式中：U为两端电压，V；d为两接触界面间隙，m. 可见吸附力F与Q2成正比，与d成反比. 由于本试验中保持两端电压不变，因此式(3)与式(2)略有差异. 将式(3)继续化简，则F=.式中：k为库仑常数；εr为介质的相对介电常数，在本实验中为氩气相对介电常数. 两极板间的相互吸引力F与U2成正比，与面积S成正比. 则界面吸附力的附加压强为SiC与Ti扩散连接时，设SiC/Ti间隙d=0.1 μm，取k=9.0×109 N·m2/C2，εr=1.000 56 ，则U=300 V时的静电吸附力40 MPa. 可见，在SiC与Ti的扩散连接过程中，电场的施加会引起界面处产生附加吸附力，此吸附力比外加机械压力还大，这使得两个界面结合更加紧密. 界面吸附力随着外加电压的增大和界面间距的减小而增大. 此外，此吸附力作用范围仅限于界面附近，不仅确保了界面紧密结合，还避免了在高温时由于施加较大的外力所导致的金属的宏观变形或陶瓷内部的微裂纹，提高了连接接头质量. 2.5 电场作用下界面原子扩散动力学在本试验中，SiC/Ti接头的扩散层厚度仅为几微米，远小于基体尺寸，因此可以将之视为半无限大平板的扩散模型. 电场作用下SiC/Ti扩散连接时，界面处的原子将受到电场、化学势场的作用，并向能量较低的方向扩散. 其中，化学势扩散力为式中：N为阿伏伽德罗常数，μ为原子化学势. 设界面处各点的电场强度均为E，原子的带电量为q，则受到的电场力为f2=qE.界面处原子在f1， f2两个力共同作用下扩散. 由两个力单独作用造成的扩散通量分别为J1、J2，其中J1为其中D为原子扩散系数. 在电场作用下，设载流子迁移率为μ，原子的迁移速度为因此J2=cμE,扩散的总通量为可见，电场作用下界面原子扩散通量较不施加电场时增大了J2，即施加电场时单位时间通过单位截面积的原子数增多了J2. 将式(4)带入菲克第二定律得到设D、E与扩散距离x无关，则式(5)化简为其中D满足阿伦尼乌斯关系. 可得到可见，界面元素的扩散速率与温度T、原子迁移率μ以及电场强度E有关. 由于浓度对距离的偏导数为负值，因此温度T越高、电场强度E越大，界面扩散层原子浓度变化越快，即在相同时间内，扩散距离越大.表4为7.5 MPa/2 h不同温度条件下施加不同直流电压时，接头负极界面Ti元素的扩散距离. 从表4可知，同一温度下，负极界面Ti元素的扩散距离随着直流电压的升高逐渐增大，这与理论分析结果相吻合. 所以，SiC与Ti扩散连接过程中施加静电场，会促进界面处原子的扩散，提高连接效率.直流电场作用可归因于原子(空位)在电场作用下的定向迁移即电迁移机制，而对于交流电场来说，其方向不断变化，因此排除电迁移的作用机制. 就目前交变电场在材料科学领域中应用的研究结果，仅将交变电场对扩散连接的作用机制归结于空位浓度及迁移率的提高、扩散激活能的降低等[7,19]仍过于粗糙，其作用机理有待于进一步的探究.1)在950 ℃/1.5 h/7.5 MPa条件下扩散连接时施加交变电场和特定方向的静电场可在一定程度上加速金属/陶瓷界面处的原子扩散，400 V交流时接头界面反应层的相结构依次为SiC/TiC/TiC+Ti5Si3/Ti.2)连接接头的形成分为空洞闭合和扩散反应两个阶段. 扩散反应阶段，接头先形成较薄的TiC层，同时Si、C原子通过TiC层扩散，与Ti反应形成TiC与Ti5Si3共存的反应层. 最后，Ti与Si、C原子沿相反的方向扩散，使TiC层和TiC+Ti5Si3层同时增厚.3)950 ℃/1.5 h/7.5 MPa条件下，当交流电压达到400 V时接头的室温剪切强度达到最大值63.8±9.4 MPa. 接头的剪切强度随着反应层的增厚先增加后减小，反应层需达到适当厚度才能获得性能良好的接头，而TiC+Ti5Si3层厚度的增加对接头性能不利.4)在SiC与Ti扩散连接过程中，外加静电场会促使界面处产生很大的吸附力，使得界面结合紧密. 静电场产生的界面吸附力随着外加电压的增大和结合界面间距的减小而增大. 动力学分析表明，外加静电场会促进界面处原子的扩散，电压越大，促进作用越明显.【相关文献】[1] 孟庆森.固体电解质陶瓷(玻璃)与金属的场致扩散连接结合机理研究[D].西安:西安交通大学,2002.MENG Qingsen.Joining mechanism of field-assisted diffusion bonding solid electrolytes ceramics and glass to metals[D].Xi`an:Xi`an Jiaotong University,2002.[2] YANJiuchun,XU Zhiwu,WU Gaohui,et al.Interface structure and mechanical performance of TLP bonded joints of Al2O3p/6061Al composites using Cu/Ni composite interlayer[J].Scripta Materialia,2004,51(2):147-150.DOI:10.1016/j.scriptamat.2004.03.036.[3]李卓然,樊建新,冯吉才.氧化铝陶瓷与金属连接的研究现状[J].宇航材料工艺,2008,38(4):6-10. 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